L'acier pour outils de travail à froid est principalement utilisé pour l'emboutissage, le découpage, le formage, le pliage, l'extrusion à froid, le tréfilage à froid, la fabrication d'outils pour la métallurgie des poudres, etc. Il requiert une dureté élevée, une résistance à l'usure importante et une ténacité suffisante. On le divise généralement en deux catégories : acier standard et acier spécial. Par exemple, aux États-Unis, l'acier standard pour outils de travail à froid comprend généralement quatre nuances : O1, A2, D2 et D3. Le tableau 4 compare les nuances d'acier allié standard pour outils de travail à froid dans différents pays. Selon la norme japonaise JIS, les principaux types d'acier pour outils de travail à froid utilisables sont les aciers de la série SK, qui comprend les aciers à outils au carbone de la série SK, huit aciers à outils alliés de la série SKD et neuf aciers rapides de la série SKHMO, soit un total de 24 nuances. La norme chinoise GB/T1299-2000 relative aux aciers à outils alliés comprend onze types d'acier, formant une série relativement complète. Face à l'évolution des technologies de transformation, des matériaux utilisés et des besoins en moules, les gammes de base initiales ne répondent plus aux exigences. Les aciéries japonaises et les principaux fabricants européens d'aciers à outils ont développé des aciers à outils spécifiques pour le travail à froid, constituant ainsi progressivement des gammes dédiées. Le développement de ces aciers représente également l'orientation future du secteur.
acier à outils pour travail à froid faiblement allié trempé à l'air
Avec le développement des techniques de traitement thermique, et notamment la généralisation de la trempe sous vide dans l'industrie du moule, des aciers faiblement alliés à micro-déformation trempés à l'air ont été mis au point, tant en Chine qu'à l'étranger, afin de réduire les déformations liées à la trempe. Ce type d'acier requiert une bonne trempabilité et un traitement thermique adéquat. Il présente une faible déformation, une bonne résistance et une bonne ténacité, ainsi qu'une certaine résistance à l'usure. Bien que les aciers à outils standard à haute teneur en alliage pour travail à froid (tels que D2 et A2) offrent une bonne trempabilité, leur teneur élevée en éléments d'alliage les rend coûteux. C'est pourquoi des aciers faiblement alliés à micro-déformation ont été développés. Ce type d'acier contient généralement du chrome et du manganèse pour améliorer sa trempabilité. La teneur totale en éléments d'alliage est généralement inférieure à 5 %. Il est adapté à la fabrication de pièces de précision en petites séries et à l'utilisation de moules complexes. Parmi les nuances d'acier représentatives, citons l'A6 (États-Unis), l'ACD37 (Hitachi Metals), le G04 (Daido Special Steel) et l'AKS3 (Aichi Steel). L'acier GD chinois, après trempe à 900 °C et revenu à 200 °C, conserve une certaine quantité d'austénite résiduelle et présente une bonne résistance, une bonne ténacité et une bonne stabilité dimensionnelle. Il est utilisé pour la fabrication de matrices d'emboutissage à froid sensibles à l'écaillage et à la rupture. Sa durée de vie est élevée.
acier à moules trempé à la flamme
Afin de raccourcir le cycle de fabrication des moules, de simplifier le traitement thermique, d'économiser de l'énergie et de réduire les coûts de production, le Japon a développé des aciers spéciaux pour outils de travail à froid, adaptés à la trempe à la flamme. Parmi les plus courants, citons le SX105V (7CrSiMnMoV) et le SX4 (Cr8) d'Aichi Steel, le HMD5 et le HMD1 d'Hitachi Metal, ainsi que l'acier G05 de Datong Special Steel Company. La Chine a développé le 7Cr7SiMnMoV. Ce type d'acier permet de chauffer la lame ou d'autres parties du moule à l'aide d'un pistolet oxyacétylénique ou d'autres dispositifs de chauffage après usinage, puis de refroidir à l'air et de tremper. Généralement, il peut être utilisé directement après trempe. Grâce à sa simplicité de mise en œuvre, il est largement utilisé au Japon. L'acier 7CrSiMnMoV, qui présente une bonne trempabilité, est un exemple représentatif de cette catégorie. Lorsqu'un acier de φ80 mm est trempé à l'huile, sa dureté à 30 mm de la surface peut atteindre 60 HRC. La différence de dureté entre le cœur et la surface est de 3 HRC. Lors d'une trempe à la flamme, après un préchauffage à 180-200 °C et une trempe à 900-1000 °C par pulvérisation, la dureté peut dépasser 60 HRC et une couche trempée de plus de 1,5 mm d'épaisseur peut être obtenue.
Acier à outils pour travail à froid à haute ténacité et haute résistance à l'usure
Afin d'améliorer la ténacité des aciers à outils pour travail à froid et de réduire leur résistance à l'usure, plusieurs grands fabricants étrangers d'aciers pour moules ont développé une gamme d'aciers alliant haute ténacité et haute résistance à l'usure. Ce type d'acier contient généralement environ 1 % de carbone et 8 % de chrome. L'ajout de molybdène, de vanadium, de silicium et d'autres éléments d'alliage permet d'obtenir des carbures fins et homogènes, et une ténacité bien supérieure à celle de l'acier de type Cr12, tout en conservant une résistance à l'usure similaire. Leur dureté, leur résistance à la flexion, leur résistance à la fatigue et leur ténacité à la rupture sont élevées, et leur stabilité au revenu est également supérieure à celle de l'acier à outils de type Cr12. Ils conviennent aux poinçonneuses à grande vitesse et aux poinçonneuses multi-stations. Parmi les aciers représentatifs de cette gamme, on peut citer le DC53 japonais à faible teneur en vanadium et le CRU-WEAR à forte teneur en vanadium. Le DC53 est trempé à 1020-1040 °C et sa dureté peut atteindre 62-63 HRC après refroidissement à l'air. Il peut être revenu à basse température (180-200 °C) et à haute température (500-550 °C). Sa ténacité est une fois supérieure à celle de l'acier D2 et sa résistance à la fatigue est 20 % plus élevée. Après forgeage et laminage CRU-WEAR, il est recuit et austénitisé à 850-870 °C à une vitesse inférieure à 30 °C/heure, puis refroidi à 650 °C et dégazé. Sa dureté atteint alors 225-255 HB. La température de trempe peut être choisie entre 1020 et 1120 °C, permettant d'atteindre une dureté de 63 HRC. Un revenu est ensuite effectué entre 480 et 570 °C selon les conditions d'utilisation, offrant un durcissement secondaire significatif. Sa résistance à l'usure et sa ténacité sont supérieures à celles de l'acier D2.
Acier de base (acier rapide)
L'acier rapide est largement utilisé à l'étranger pour la fabrication de moules de travail à froid haute performance et longue durée de vie, grâce à son excellente résistance à l'usure et à sa dureté à chaud, comme par exemple l'acier rapide standard japonais SKH51 (W6Mo5Cr4V2). Afin de répondre aux exigences des moules, la ténacité est souvent améliorée en abaissant la température de trempe, en augmentant la dureté après trempe ou en réduisant la teneur en carbone de l'acier rapide. L'acier de matrice est dérivé de l'acier rapide et sa composition chimique est équivalente à celle de la matrice de l'acier rapide après trempe. Par conséquent, le nombre de carbures résiduels après trempe est faible et leur répartition homogène, ce qui améliore considérablement la ténacité de l'acier par rapport à l'acier rapide. Les États-Unis et le Japon ont étudié les aciers de base VascoMA, VascoMatrix1 et MOD2 au début des années 1970. Plus récemment, les aciers DRM1, DRM2, DRM3, etc., ont été développés. Ils sont généralement utilisés pour les moules de travail à froid nécessitant une ténacité élevée et une meilleure stabilité au revenu. La Chine a également développé des aciers de base, tels que le 65Nb (65Cr4W3Mo2VNb), le 65W8Cr4VTi, le 65Cr5Mo3W2VSiTi et d'autres aciers. Ce type d'acier présente une bonne résistance et une bonne ténacité et est largement utilisé dans l'extrusion à froid, le poinçonnage à froid de tôles épaisses, la fabrication de molettes de filetage, de matrices d'impression, de matrices de frappe à froid, etc., et peut également servir de matrice pour l'extrusion à chaud.
acier à moules de métallurgie des poudres
Les aciers à outils à matrices fortement alliés de type LEDB, produits par des procédés conventionnels, notamment pour les pièces de grande section, présentent des carbures eutectiques grossiers et une distribution hétérogène, ce qui réduit considérablement leur ténacité, leur usinabilité et leur isotropie. Ces dernières années, les principaux fabricants étrangers d'aciers spéciaux pour outils à matrices se sont concentrés sur le développement d'une gamme d'aciers rapides et d'aciers à matrices fortement alliés issus de la métallurgie des poudres, ce qui a permis un développement rapide de ce type d'acier. Grâce au procédé de métallurgie des poudres, la poudre d'acier atomisée refroidit rapidement et les carbures formés sont fins et uniformes, ce qui améliore significativement la ténacité, l'usinabilité et l'isotropie du matériau. Ce procédé de fabrication spécifique permet d'obtenir des carbures fins et uniformes, et d'améliorer l'usinabilité et les performances de rectification, autorisant ainsi l'ajout de teneurs plus élevées en carbone et en vanadium, et donnant naissance à une nouvelle gamme d'aciers. Par exemple, les aciers à outils et matrices issus de la métallurgie des poudres, tels que les séries DEX (DEX40, DEX60, DEX80, etc.) de Datong (Japon), HAP (Hitachi Metal), FAX (Fujikoshi), VANADIS (UDDEHOLM), ASP (Erasteel, France) et CRUCIBLE (États-Unis), connaissent un développement rapide. Ces aciers, comme le CPM1V, le CPM3V, le CPM1OV et le CPM15V, présentent une résistance à l'usure et une ténacité nettement supérieures à celles des aciers à outils et matrices fabriqués par des procédés conventionnels.
Date de publication : 2 avril 2024
